1MW核破砕中性子源の低温水素システム用アキュムレータの改良

麻生 智一; 達本 衡輝*; 大都 起一*; 川上 善彦*; 小守 慎司*; 武藤 秀生*; 高田 弘

JAEA-Technology 2019-013, 77 Pages, 2019/09

JAEA-Technology-2019-013.pdf:5.59MB

大強度陽子加速器施設(J-PARC)物質・生命科学実験施設において1MWの陽子ビームで駆動する核破砕中性子源では、水銀ターゲットで発生した高速中性子を冷中性子に冷却するために、液体水素(1.5MPa, 20K以下)を3基のモデレータに供給し、そこで発生する核発熱(3.8kW)を強制方式で冷却する低温水素システムを備えている。この低温水素システムでは、核発熱に伴う系内の圧力変動を低減するためにベローズ構造で圧力を吸収するアキュムレータを採用していることが特徴である。しかしながら、初期に使用したベローズで不具合が生じたため、高耐圧, 長寿命のアキュムレータが必要となった。厚肉プレートによる高耐圧性を有する溶接ベローズ(内ベローズ)の要素技術開発を行い、最適条件を見出すことができた。内ベローズの試作機を製作し、2MPaの圧力印加を繰り返す耐久試験により、設計寿命(1万回以上)を満たすことを確認した。また、その製作法による内ベローズを導入したアキュムレータの組立時、溶接歪等によって内ベローズの機能性や寿命に影響しないように、水平・垂直度を0.1以内に抑えた。改良したアキュムレータは既に約25,000時間(繰り返し伸縮約16,000回(運転中40mm伸縮の設計寿命は50万回))の運転を実現できており、2019年1月現在、500kWビーム出力で運転中である。2018年7月には932kWビーム入射した運転を行い、アキュムレータの圧力変動抑制機能が設計どおりの性能を有することを確認し、今後の高出力において安定運転ができる見通しを得た。

Operational experiences of J-PARC cryogenic hydrogen system for a spallation neutron source

達本 衡輝; 麻生 智一; 大都 起一; 川上 善彦; 青柳 克弘; 武藤 秀生

IOP Conference Series; Materials Science and Engineering, 101, p.012107_1 - 012107_8, 2015/12

https://doi.org/10.1088/1757-899X/101/1/012107

J- PARC核破砕中性子源用の低温水素システムは2008年4月に完成し、同年の5月末に初めて冷中性子の発生に成功した。低温水素システムは3ヶ月の安定な長期連続運転を実施できるようになり、最近では500kWの共用運転を行っている。本装置は、「極低温」でかつ「高圧」の可燃性水素を取り扱う国内で初めての大型冷凍設備であるため、2007年のオフビームコミッショニングから現在に至るまで数々の予期せぬトラブルがあった。例えば、気体軸受水素ポンプの過渡軸振動現象、軸受部の過渡冷却現象および水素トライポロジーによる起動不良、アキュムレータ用ベローズの破損、ヘリウム冷凍機の不純物による不安定事象である。さらに、2011年には冷却運転中に東日本大震災が発生し、停電および計装空気が喪失したが、構築したインターロックシステムにより正常に自動停止することができた。これまでの運転や不具合事象により多くの知見が得て、改良を重ねた結果、現在では長期間の安定な冷却運転を実施できるようになった。

Operational characteristics of the J-PARC cryogenic hydrogen system for a spallation neutron source

達本 衡輝; 大都 起一; 麻生 智一; 川上 善彦; 勅使河原 誠

AIP Conference Proceedings 1573, p.66 - 73, 2014/01

https://doi.org/10.1063/1.4860684

J-PARCの物質生命科学実験施設は、陽子ビームを水銀ターゲットに入射し、発生した高速中性子をモデレータである1.5MPa、20K以下の超臨界圧の低温水素と衝突を繰り返すことにより減速した冷中性子ビームによる中性子実験を行う実験施設である。低温水素システムは、3台の水素モデレータに超臨界圧水素を供給し、そこで発生する核発熱(1MW陽子ビーム時に3.75kW)を強制冷却するための冷凍設備である。低温水素システムの性能評価を行うために、冷却過程におけるパラ水素濃度を測定し、常に平衡濃度で存在することを確認した。定格状態では、設計条件の99%以上を満たすことを確認した。さらに、過渡的な熱負荷を与えた場合の温度変動の伝播特性と熱交換器の特性を測定し、熱負荷補償するためのヒータ制御による許容温度変動量を評価した。286kWと524kWの高出力陽子ビーム入射時の温度伝播特性結果と比較し、この評価方法の妥当性を検証した。さらに、本実験結果に基づいて、1MW陽子ビーム運転時におけるヒータ制御による温度変動量は、許容値以下であることがわかり、安定な1MWの陽子ビーム運転の見通しが得られた。

Safety interlock of the cryogenic hydrogen system at J-PARC

達本 衡輝; 麻生 智一; 大都 起一; 上原 聡明; 櫻山 久志; 川上 善彦; 加藤 崇; 二川 正敏

Proceedings of International Cryogenic Engineering Conference 23 (ICEC-23) and International Cryogenic Materials Conference 2010 (ICMC 2010), p.601 - 606, 2010/07

J-PARC核破砕中性子源では、MW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した高速中性子を用いて冷中性子に減速したビームを供給する。陽子ビーム1MW時において、水素モデレータ容器内で発生する核発熱は約3.8kWであり、この大きな熱負荷を除去するために、大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる低温水素システムを製作した。本低温水素システムでは可燃性ガスである水素を保有しているので、万が一、低温水素システムに異常事象が発生した場合でも、低温水素システムの機器保護と安全性を確保できるインターロックシステムを構築した。コミッショニングにより、ここで構築したインターロックシステムの健全性を確認することができた。

Performance test of a centrifugal supercritical hydrogen pump

達本 衡輝; 麻生 智一; 大都 起一; 上原 聡明; 櫻山 久志; 川上 善彦; 加藤 崇; 二川 正敏; 吉永 誠一郎*

Proceedings of International Cryogenic Engineering Conference 23 (ICEC-23) and International Cryogenic Materials Conference 2010 (ICMC 2010), p.377 - 382, 2010/07

J-PARC核破砕中性子源では、MW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した高速中性子を用いて冷中性子に減速したビームを供給する。陽子ビーム1MW時における水素モデレータ容器内で発生する核発熱は約3.8kWであり、モデレータ性能を満たすためには、このモデレータ内の温度差を3K以内する必要があった。本研究では、大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる超臨界水素ポンプをITERで開発した超臨界ヘリウムポンプの設計データベースを用いて新たに開発し、その性能特性試験を測定した。断熱効率は54%、循環流量は、世界最大流量200g/sを達成し、開発した超臨界水素ポンプは、設計値を十分満足する性能を有することを確認した。

Development of the cryogenic hydrogen system for a spallation neutron source in J-PARC

達本 衡輝; 麻生 智一; 大都 起一; 上原 聡明; 櫻山 久志; 川上 善彦; 加藤 崇; 二川 正敏

AIP Conference Proceedings 1218, p.297 - 304, 2010/04

https://doi.org/10.1063/1.3422367

J-PARCの核破砕中性子源ではMW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した高速中性子を超臨界圧水素を用いて冷中性子に減速しビームを供給する。陽子ビーム1MW時において、水素モデレータ容器内で発生する核発熱は約3.8kWであり、この大きな熱負荷を除去するために、大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる低温システムを製作した。6か月に渡るオフビームコミッショニング期間で、低温水素システムの特性試験を実施し、設計どおりの性能を満たすことを確認することができた。

Pressure drop evaluation of the hydrogen circulation system for JSNS

達本 衡輝; 麻生 智一; 大都 起一; 加藤 崇; 二川 正敏

AIP Conference Proceedings 1218, p.1162 - 1169, 2010/04

https://doi.org/10.1063/1.3422280

J-PARCの核破砕中性子源ではMW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した高速中性子を超臨界圧水素を用いて冷中性子に減速しビームを供給する。陽子ビーム1MW時において、水素モデレータ容器内で発生する核発熱は約3.8kWであり、この大きな熱負荷を除去するために、大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる低温システムを製作した。低温水素システムの運転方法を検討するための解析コードを開発するためには、低温水素システム内の圧力損失を正確に評価する必要があった。本研究では、汎用の解析コードを用いて複雑な形状の構成機器の圧力損失を各々評価し、その解析結果を14%以内で記述できる圧力損失の相関式を導出することができた。

Design of hydrogen vent line for the cryogenic hydrogen system in J-PARC

達本 衡輝; 麻生 智一; 加藤 崇; 大都 起一; 長谷川 勝一; 前川 藤夫; 二川 正敏

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 600(1), p.269 - 271, 2009/02

https://doi.org/10.1016/j.nima.2008.11.042

大強度陽子加速器計画において、物質・生命科学実験施設では、1MW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した速い中性子を超臨界圧水素によって減速(冷却)するための極低温水素循環システムの設計製作を行っている。異常事象が発生した場合は、安全の観点から、系内の水素を迅速かつ安全に放出するための水素放出設備の設計を行った。水素放出配管内での空気との混合を防止するためのパージ用の窒素ガスをパージしている。その水素放出配管の設計するうえにおいて、このパージ用の窒素ガスやスタック内空気の水分が、放出した低温水素ガスによって、凝縮しないようにしなければならない。さらに、放出配管の建家貫通部における配管温度の降下も防がなければならない。そこで、最大水素放出時における放出配管内の温度変動を解析し、その結果に基づいて、必要な放出配管サイズ及び建家内のレイアウトを決めた。

Commissioning of the cryogenic hydrogen system in J-PARC; First cool-down operation with helium

達本 衡輝; 麻生 智一; 加藤 崇; 大都 起一; 長谷川 勝一; 前川 藤夫; 二川 正敏

Proceedings of International Cryogenic Engineering Conference 22 (ICEC-22) and International Cryogenic Materials Conference 20 (ICMC 2008), p.717 - 722, 2009/00

J-PARCの核破砕中性子源では1MW級の陽子ビームによる核破砕反応によって発生した高速中性子を超臨界圧水素を用いて冷中性子に減速しビームを供給する。陽子ビーム1MW時において、水素モデレータ容器内で発生する核発熱は約4kWであり、この大きな熱負荷を除去するために、大流量の超臨界圧水素を安定に強制循環させる低温システムを製作した。安全性の観点から、はじめての低温試験においては、不活性ガスであるヘリウムを用いて低温水素システムの低温試験を行い、20時間以内で定格状態(20K)まで冷却することができ、低温状態におけるシステムの健全性を確認することができた。

J-PARC中性子源用極低温水素システム

加藤 崇; 達本 衡輝; 麻生 智一; 長谷川 勝一; 大都 起一

低温工学, 43(10), p.409 - 416, 2008/10

https://doi.org/10.2221/jcsj.43.409

日本原子力研究開発機構(JAEA)と高エネルギー加速器研究機構(KEK)の共同プロジェクトとして陽子加速器を利用した最先端科学研究施設であるJ-PARCが、2008年度その全体が完成する。2008年5月末に3GeVシンクロトロンから3GeVの陽子をMLFに導き、MLF内に建設された核破砕中性子源の水銀ターゲットに入射させ、中性子の発生に成功した。その核破砕中性子源において、中性子減速システムの中心を担う低温水素システムは、水素循環の水素冷凍システムとしては世界最大である。特に本システムは、低温水素の循環流量が大きく、世界最大の中性子源用低温水素システムとなる。低温での冷媒が水素であることから、システムの安全担保も重要な課題であった。この課題を克服し、世界的にもユニークな低温水素の冷凍システムが完成し、設計通りの性能が確認された。確認された冷却特性や冷凍能力特性を以下に報告する。一方、本システムの運転手法自体も、これまでのヘリウム冷凍システムに比べユニークなものになっている。したがって、運転手法についても言及する。